賈金鋒，隗小山，曾偉，薛金召，廖有貴

(湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學院，湖南岳陽 414000)

石化裝置所產(chǎn)生的酸性水是一種含有H2S、NH3和CO2等揮發(fā)性弱電解質(zhì)的水溶液，同時含有酚、氰化物和油等污染物，直接排放會對環(huán)境造成較大的危害。因此，酸性水必須經(jīng)過處理后，使水中的污染物含量達到一定標準后才可以排出。國內(nèi)酸性水處理大多采用蒸汽汽提法，該工藝稱為酸性水汽提。

某煉油廠酸性水汽提裝置設(shè)計公稱規(guī)模100 t/h，實際處理量為60.6 t/h，設(shè)計年開工時間為8 400 h，采用單塔加壓帶側(cè)線抽出技術(shù)，將酸性水中的硫化氫從塔頂抽出后自壓至二部硫磺回收裝置處理，富氨氣體從側(cè)線抽出，經(jīng)三級分凝后得到較純凈的氣氨進入氨精制，合格的凈化水回用至上游各裝置。所加工的進料來自催化、延遲焦化、汽柴油加氫裝置和火炬的酸性水。為降低裝置能耗，筆者利用 Aspen Plus 流程模擬軟件對酸性水汽提裝置進行流程模擬計算，并考察了冷熱進料比、側(cè)線采出量、側(cè)線采出位置、一級凝液罐溫度和熱進料溫度對酸性水汽提裝置操作的影響。

1 模型建立

1.1 模擬工藝流程

應用Aspen Plus軟件自帶的流程圖繪制功能，采用 Rad Frca 嚴格計算模塊，選用專用于電解質(zhì)系統(tǒng)的ELECNRTL物性方法，應用電解質(zhì)向?qū)ё詣由呻娊赓|(zhì)組分，選取數(shù)據(jù)庫中的Henry常數(shù)表征H2S、NH3在水中的溶解度(數(shù)據(jù)庫中自帶有H2S和NH3在水中的電離平衡常數(shù))，建立汽提塔的穩(wěn)態(tài)模型[1-3]。

1.2 模擬物性方法的選擇

Aspen Plus 軟件中模擬流程的具體物性方法可在Properties-Methods一欄選擇，基于活度系數(shù)模型的ELECNRTL是最通用的電解質(zhì)物性方法，能處理濃度范圍較廣的電解質(zhì)溶液[4]。ELECNRTL物性方法主要采用NRTL電解質(zhì)模型計算吉布斯能、焓和活度系數(shù)等液相參數(shù)，采用Redlich-Kwong狀態(tài)方程計算熵、密度、焓和吉布斯能等氣相參數(shù)，而且特別適用于從低壓到中壓范圍且氣相非理想程度較低的系統(tǒng)[5-6]。因此，選擇ELECNRTL方法。

1.3 選用模塊可行性驗證

以酸性水汽提裝置汽提塔2020年10月9日12∶00的標定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對汽提塔進行嚴格模擬計算，模擬值與標定數(shù)據(jù)對比見表1。

由表1可見：模擬計算中凈化水的硫化氫含量大大低于實際值，分析其原因，可能為實際裝置凈化水中的硫并不是以H2S的形式存在，通過汽提作用無法除去；模擬計算結(jié)果中凈化水氨含量與標定數(shù)據(jù)吻合程度較高，酸性水汽提塔頂溫度模擬值與實際值相差僅0.21 ℃，蒸汽流量模擬值與實際值相差僅0.119 t/h，說明該模型較為準確，能夠反映裝置實際生產(chǎn)運行狀況。

表1 污水汽提塔參數(shù)對比

2 降低能耗的模擬計算

針對汽提塔的蒸汽能耗控制，在保證塔頂酸性氣和塔底凈化水產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對關(guān)鍵控制參數(shù)(冷熱進料比、熱進料溫度、側(cè)線抽出量、側(cè)采位置、側(cè)線一級凝液罐溫度等)進行綜合分析，來確定其對汽提塔各參數(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量的具體影響。

2.1 冷熱進料比

在模擬過程中控制側(cè)線抽出量、塔頂酸性氣量不變，分析冷熱進料比對凈化水氨含量、凈化水硫含量、汽提塔蒸汽耗量及塔頂溫度的影響，結(jié)果見表2。

由表2可見：總處理量在60.42 t/h，隨裝置冷熱進料比的提高，凈化水氨含量、硫含量逐漸降低，汽提蒸汽量逐漸增加。凈化水氨指標為不大于120 mg/L，硫指標為不大于30 mg/L，而實際裝置凈化水氨質(zhì)量濃度為65 mg/L，硫質(zhì)量濃度為6.3 mg/L，因此可適當降低冷熱進料比，對凈化水進行卡邊操作并保證塔頂溫度不超指標，考慮綜合能耗，將冷熱進料比例降至0.11，控制凈化水氨質(zhì)量濃度在100 mg/L以下，可節(jié)省汽提蒸汽0.5 t/h。

表2 冷熱進料比影響分析

2.2 側(cè)線采出量

在模擬過程中通過控制冷熱進料、酸性氣抽出量不變，分析側(cè)線抽出量對凈化水質(zhì)量、汽提蒸汽量和塔頂溫度的影響，結(jié)果見表3。

表3 側(cè)線采出量的影響分析

由表3可見：在控制冷熱進料比、酸性氣采出量不變的情況下，隨側(cè)線采出量增大凈化水中氨和硫化氫會降低而汽提蒸汽用量會增大，實際裝置側(cè)采量為9.243 t/h，將側(cè)線采出量適當降低至8.8 t/h進行卡邊操作并保證塔頂溫度不超指標，可節(jié)省蒸汽0.4 t/h。

2.3 側(cè)線采出位置

污水汽提塔的側(cè)采位置有3個，分別為20#、22#、24#層抽出口，在模擬過程中通過控制酸性氣量、側(cè)線采出量、冷熱進料比不變，分析側(cè)采采出位置對汽提蒸汽量的影響，結(jié)果見表4。

表4 側(cè)采位置的影響分析

由表4可見：側(cè)線抽出口下移，能耗稍有降低，凈化水中氨含量升高較多，在當前工況下，24#抽出位置凈化水氨含量最低，通過調(diào)節(jié)其他參數(shù)節(jié)汽的余地也最大，因此當前側(cè)線采出位置24層抽出口為最佳抽出口，無需調(diào)整。

2.4 一級凝液罐溫度

在模擬過程中，通過側(cè)線抽出量控制凈化水氨含量不變(凈化水硫含量也會基本不變)，控制塔頂酸性氣抽出量不變，分析一級凝液罐溫度(一級凝液罐壓力保持不變)對汽提蒸汽量、塔頂溫度、側(cè)線抽出量、氣氨純度的影響，結(jié)果見表5。

表5 一級凝液罐溫度的影響分析

由表5可見：一級凝液罐溫度過低，會增加汽提蒸汽消耗，但影響較小。當前工況下，一級凝液罐溫度為127.7 ℃ ，可適當提高。

2.5 熱進料溫度

在模擬過程中，控制側(cè)線及塔頂抽出、冷熱進料比不變，研究熱進料溫度對產(chǎn)品質(zhì)量及能耗的影響，結(jié)果見表6。

表6 熱進料溫度的影響分析

由表6可見：隨著熱進料溫度的提高，凈化水中氨和硫化氫的含量會相應升高，但均未超過指標，此時塔底所用蒸汽會減少。因此，將熱進料溫度提高到150 ℃，可節(jié)約蒸汽0.5 t/h。

2.6 綜合優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化模擬結(jié)果，對操作參數(shù)進行綜合調(diào)整優(yōu)化，優(yōu)化前后對比見表7。

表7 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

由表7可見：在保證塔頂含氨酸性氣和塔底凈化水產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對汽提塔關(guān)鍵控制參數(shù)(冷熱進料比、側(cè)線采出量、側(cè)線采出位置、一級凝液罐溫度、熱進料溫度等)進行調(diào)整組合，有效降低了裝置的能耗。在優(yōu)化后的模擬工作狀況下，可以節(jié)約蒸汽1.026 t/h。

3 實際裝置應用優(yōu)化參數(shù)

根據(jù)Aspen Plus軟件模擬優(yōu)化數(shù)據(jù)，2020年11月9日調(diào)整了酸性水汽提裝置參數(shù)，調(diào)整前后的能耗對比見表8。

表8 酸性水汽提裝置參數(shù)調(diào)整前后的能耗對比情況

由表8可見：采用模型優(yōu)化數(shù)據(jù)進行裝置參數(shù)調(diào)整后，蒸汽單耗有明顯下降，從基準工況的228.94 kg/t下降到平均215.28 kg/t，顯著降低了裝置的能耗。

根據(jù)模型優(yōu)化方案，在日常生產(chǎn)中采用優(yōu)化汽提塔可節(jié)約蒸汽為1.026 t/h，按蒸汽價格138元/t計算，全年(按8 400 h計算)收益為1.026×8 400×138＝118.9 萬元。

4 結(jié)論

1)利用Aspen Plus 軟件中的 Rad Frca 嚴格計算模塊和 ELECNRTL 物性方法對酸水汽提裝置進行模擬，模擬結(jié)果與實際操作基本一致。

2)在冷熱進料比為1.1，側(cè)線采出量為8.8 t/h、側(cè)線采出位置不變，一級凝液罐溫度為129.2 ℃，熱進料溫度為150 ℃的優(yōu)化條件下，模擬計算結(jié)果表明可節(jié)約蒸汽1.026 t/h。優(yōu)化參數(shù)應用于實際裝置后，蒸汽單耗顯著降低，從基準工況的228.94 kg/t下降到平均215.28 kg/t，據(jù)此計算，全年可增加效益118.9萬元。